粘弹性表面活性剂技术在酸化中的应用
叶艳1吴敏2陈馥1胡星琪1
(1.西南石油学院化学化工系 2.中国石油西南油气田分公司天然气研究院)
摘要粘弹性表面活性剂(VES)技术在压裂液中已成功应用多井次,并取得良好效果。
介绍了一种应用粘弹性表面活性剂的新型转向酸液技术,主要用于碳酸盐岩非均质地层的酸化。
该体系因其独特的流变性且无聚合物、无固相,因而施工后在地层无滞留物,返排彻底,对地层的伤害小。
其适用井温可达100e左右,是一种理想的新型酸液体系。
主题词粘弹性表面活性剂酸化转向胶束自成胶
酸化是油气田增产的主要措施。
多年的室内研究和现场施工表明,酸液的滤失控制是酸化施工的关键之一。
为有效控制酸液滤失,延缓酸岩反应速度,达到均匀布酸的目的,目前已形成的酸液体系主要有:胶凝酸、乳化酸、活性酸、泡沫酸、控滤失酸等。
其中由Schlumberger DOWE LL公司研制的控滤失酸液体系比常规胶凝酸降滤失系数提高50%左右[1],但由于该体系使用了合成的聚合物,在现场使用中仍存在聚合物残余物在地层中滞留造成一定程度的地层损害,以及返排困难等问题。
自上世纪90年代以来,国外已成功地将粘弹性表面活性剂(简称VES)技术用于压裂液[2]。
粘弹性是一种能在很多胶体体系尤其是许多表面活性剂溶液中观察到的现象。
通过简单地使溶液产生涡旋后观察捕集在样品中的空气泡的弹性碰撞,很容易发现溶液的粘弹性。
在这些溶液中形成的聚集体可用电子双折射、流动双折射、核磁共振、流变性、动力学和中子散射实验等进行表征。
这些研究结表明,在一定的浓度范围内,这些溶液与缠结状的聚合物体系具有相同的动力学性质[3]。
能配出粘弹性溶液的许多表面活性剂都是一些具有吡啶钅翁或三甲基铵盐端基的阳离子表面活性剂以及长链脂肪酸的季铵盐类阳离子表面活性剂,典型的例子有十六烷基吡啶水杨酸和十六烷基三甲基铵水杨酸盐。
VES压裂液是长链脂肪酸的季铵盐类阳离子表面活性剂溶解在盐水中形成的胶束溶液,其胶束主要呈蚯蚓状或柔性长圆棒状,相互之间高度缠结形成可逆的三维空间网状结构,表现出独特而优良的流变性、粘弹性、剪切稀释性等[4]。
VES压裂液使用操作简单,现场配制容易,所需设备极少。
由于它不含聚合物,不需要加入交联剂、破胶剂及杀菌剂,经原油、天然气或其它地层液体稀释后即可破胶,所以又名清洁压裂液。
本文通过多个岩心流动对比实验和流变学实验表明,VES体系能成功地将酸从高渗透区转向低渗透区,而不是只在高渗透率岩心中形成单一渗流通道。
酸化后岩心清洁,无任何滞留物。
其酸液粘度的变化都是在该体系与碳酸盐岩接触后发生。
1作用机理
当用盐酸(HCl)酸化碳酸盐岩地层时,在基岩中由酸溶蚀形成一些主要通道,酸液主体就会沿着这些通道流动,而不能对其它的岩层进行酸化处理,因此常常在酸液中添加化学转向剂进行转向处理,以改变注酸流动剖面,使酸液进入中、低渗透层,与未酸化的部分反应,提高酸化效果。
但大量室内实验和现场应用表明[5],这类转向剂并不能让酸化充分进行,而且存在因颗粒和聚合物残液的侵入造成二次伤害的潜在缺陷。
上世纪90年代初,研制成功的地下成胶酸在处理碳酸盐岩地层时显示出良好效果[6]。
由于该体系是基于聚合物胶凝剂,尽管破胶后液体总体粘度急剧下降,但仍有部分聚合物残余在酸蚀溶洞中,对地层造成了二次伤害[5]。
为此,采用VES技术的无聚合物地下成胶酸液体系应运而生。
该新型体系由粘弹性表面活性剂的盐水溶液和盐酸配制而成。
随着酸与岩石的反应,体系pH 值上升,该处理剂溶液形成具有凝胶性质的棒状胶束使体系粘度随之急剧增高;而返排时流体中的C O2含量增加又可使其快速破胶。
所用的粘弹性表面活性剂不会产生任何残留物滞留在酸蚀溶洞表面,并且所需清洗压力极低。
采用VES的地下成胶酸能够呈现持续的高粘态,直至破胶。
这个持续的高粘态较之聚合物地下成胶酸更利于酸液的转向。
因此,该体系可解
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决长段裸眼地层的酸化难题且不会对地层造成伤害。
2 流变性实验
2.1 pH 值对体系成胶的影响
将定量VE S 配入15%HCl 中制得VES 酸液体系,再用不同量的24%CaCO 3溶液与所配酸液体系反应得到实验用模拟残酸。
在剪切速率为100s -1,温度25e 下,测试不同pH 值下残酸酸液的粘度(见图1)。
由图1知,随着VES 酸液与钙盐的反应,体系pH 值增加,当残酸pH 值升至2以上时,体系粘度显着增加。
这是由于随着酸液与CaCO 3的反应,Ca 2+
释放进入溶液中,离子浓度的增加使得表面活性剂分子形成柔性棒状胶束,这些棒状胶束互相纠缠使溶液呈现粘弹态,粘度随之增加。
随着酸在地层的进一步消耗,pH 值上升,互相纠缠的VES 棒状胶束浓度达到一定值,体系在地层内成胶。
在此过程中,这种成胶物对酸液已流经的地区将产生阻力,从而使还在井筒内的低粘度的酸液流入未酸化地区。
2.2 温度对体系残酸粘度的影响
向上述VES 酸液体系中缓慢加入CaCO 3溶液,直到酸液体系的pH 值上升至4~ 4.5,即得该VES 体系的残酸(由图1可知此时体系已成胶)。
再测试VES 残酸在不同温度下的粘度值(见图2)。
由图2可知,随着剪切速率的增加,已成胶的体系粘度较大幅度地降低;温度的增加对体系的胶态破坏显著,当温度增至90e 左右时,体系形成的胶态已完全被坏。
上述流变实验表明:在一定温度下,该新型VES 酸液体系随着酸耗发生,其粘度变化显示出独特的流变性。
实际应用中,化学转向所需的体系粘度应由储
层的渗透率决定。
目前VES 酸液体系的最高使用温
度为93e ,如采用交替注入前置液冷却,使用温度可达104~110e 左右。
3 滤失性能实验
3.1 15%空白盐酸
先用3%的NH 4Cl 盐水饱和大理石岩心,测其初始渗透率。
再以5~10ml/min 的恒定注入速度将空白酸液(15%HCl)注入岩心,直至岩心饱和。
然后在反向流动状态下再测定岩心的渗透率值,先在低的流动速度下测,再用高的流动速度测。
最后用计算机层析
X 射线摄影法扫描岩心的溶洞渗透状态。
其流动压降曲线见图3。
图3的水平压力曲线表明没有转向现象发生。
当将15%HCl 同时注入三个不同渗透率的大理石岩心时,所得结果见表1。
由CT 扫描的各个岩心断面也说明酸液仅仅穿过了高渗透率的岩心,而留下低渗透率的岩心未处理。
所测得的反向流动恢复渗透率值也表明了在低渗透岩心没有发生酸化反应。
3.2 低渗透率岩心中的VES 酸液体系
将该VES 成胶酸注入初始渗透率为32.1L m 2的岩心。
其流动压降曲线如图4。
图4表明,当该酸液体系进入岩心发生酸化反应时,发生了转向现象。
将所配制的VES 成胶酸同时注入三个不同初始
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第32卷 第3期 粘弹性表面活性剂技术在酸化中的应用
渗透率(48.7、35.0、32.1L m 2)的大理石岩心时,所得恢复渗透率值见表1。
CT 扫描图象表明,这种VE S 酸在三个岩心中都形成了酸蚀溶洞,而不像上述15%盐酸那样只在高渗透率岩心形成单一的主要流动通道。
反向流动恢复渗透率测试结果也表明,在注入VES 成胶酸的低渗透率岩心中同样发生了剧烈的酸化反应,酸化效果显著。
3.3 高渗透率岩心中的VES 酸液体系
将VES 成胶酸注入高渗透率岩心进行测试,岩心
孔隙体积所表现的压力行为见图5。
将所配制的VES 成胶酸同时注入三个不同初始渗透率(91.1、39.0、26.8L m 2)的大理石岩心,所得恢复渗透值见表1。
CT 扫描也显示了岩心的酸蚀溶洞形成很好。
在较高渗透率的岩心酸化时,该VES 酸液体系也取得了显着的酸化效果。
表1 不同酸液体系的效果对比
表1同时也列出了在理想条件下(65e ,大理石岩心)所测得的几种不同酸液体系的酸化效果。
由于室内实验中所用岩心的长度有限,当其被充分酸溶时,岩心所测得的渗透率值即趋向于无限。
因此,表1中的渗透
率值为无限时,即表明该岩心已被充分酸蚀。
所测的恢复值、酸蚀率和酸化转向效果均表明:VES 成胶酸的酸化效果优于其它酸液体系。
4 结 论
(1)VES 酸是一种新型的将粘弹性表面活性剂技术应用于酸化作业的酸液体系,适用于碳酸盐岩地层的酸化。
(2)VES 酸随着酸岩反应的进行而发生粘度变化,当体系pH 值低于2时,其粘度持续上升;pH 值达到3.5~4时,体系破胶,粘度下降。
(3)VES 酸液体系中不含聚合物,与目前所用的酸液转向剂相比,极大地减小了对储层的潜在损害。
(4)VES 酸独特的流变性能有效调整注酸流动剖面,使酸液与中、低渗透层接触、反应,最大程度地实现166石油与天然气化工 2003。
